第7章光纖接入網(wǎng)7.1光纖接入原理7.2光纖接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)7.3有源光纖接入網(wǎng)AON7.4無源光纖接入網(wǎng)PON7.5光纖接入網(wǎng)中的光纖和光器件 7.1光纖接入原理

7.1.1接入網(wǎng)的基本概念

1.接入網(wǎng)的定義

ITU－T建議G.902對(duì)接入網(wǎng)的定義：接入網(wǎng)是由業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口（SNI）和用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）之間的一系列傳送實(shí)體（如線路設(shè)施和傳輸設(shè)施）組成的、為傳送電信業(yè)務(wù)提供所需要的傳送承載能力的實(shí)施系統(tǒng)，可經(jīng)由Q3接口進(jìn)行配置和管理。其中的傳送實(shí)體可提供必要的傳送承載能力。通常，接入網(wǎng)對(duì)用戶信令是透明的，可不作解釋。原則上，對(duì)接入網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)的SNI和UNI的類型和數(shù)目沒有限制。

G.902接入網(wǎng)定義側(cè)重對(duì)于接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒Y(jié)構(gòu)的總體表述。

隨著Internet和各種IP類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的快速普及，接入網(wǎng)中用戶側(cè)業(yè)務(wù)的種類和數(shù)量都發(fā)生了很大的變化。為了適應(yīng)于IP業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，ITU－T提出了針對(duì)IP接入網(wǎng)的定義——Y.1231建議。Y.1231建議將IP接入網(wǎng)定義為IP用戶和ISP之間為提供所需的、接入到IP業(yè)務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的實(shí)現(xiàn)。Y.1231定義的接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)形式都較G.902靈活。

Y.1231建議側(cè)重對(duì)于接入網(wǎng)中IP業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的功能表述。

2.接入網(wǎng)的定界

接入網(wǎng)的定界如圖7－1所示。圖7－1接入網(wǎng)的定界從圖7－1可知，接入網(wǎng)所覆蓋的范圍是由三個(gè)接口來定界的，即網(wǎng)絡(luò)側(cè)經(jīng)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)接口（SNI）與業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)（SN）相連；用戶側(cè)經(jīng)用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）與用戶相連；管理側(cè)經(jīng)Q3接口與電信管理網(wǎng)（TMN）相連，不具備Q3接口時(shí)通常需經(jīng)由協(xié)調(diào)設(shè)備（MD）與TMN相連。

SN是提供業(yè)務(wù)的實(shí)體，是一種可以接入各種交換型和/或永久連接型電信業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)單元。例如，本地交換機(jī)、租用線業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)或特定配置下的視頻點(diǎn)播和廣播電視業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)等。接入網(wǎng)允許與許多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)相連，因此既可以接入分別支持特定業(yè)務(wù)的單個(gè)SN，也可以接入支持相同業(yè)務(wù)的多個(gè)SN，其中SNI是AN與SN之間的接口，可以通過協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)指配功能來實(shí)現(xiàn)AN與SN的聯(lián)系，以及對(duì)SN分配的承載能力。G.902體系中最重要的SNI接口是V5系列接口和VB5系列接口。

UNI包括了各種模擬和數(shù)字的用戶側(cè)接口，如Z接口和U接口等。

3.接入網(wǎng)的分層

為了便于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與管理，可以對(duì)接入網(wǎng)按照功能層次進(jìn)行分層描述。一個(gè)接入網(wǎng)按垂直方向可以分為三個(gè)獨(dú)立的層次，其中每一層為其相鄰的高階層提供傳送服務(wù)，同時(shí)又使用相鄰的低階層所提供的傳送服務(wù)，這三層分別是電路層、通道層和傳輸媒質(zhì)層。在網(wǎng)絡(luò)分層后，每一層仍顯得很復(fù)雜，因此可以進(jìn)一步將每一層網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)子網(wǎng)，每一個(gè)子網(wǎng)又可以進(jìn)一步分割成若干個(gè)更小的子網(wǎng)。

1）電路層（CL）

電路層網(wǎng)絡(luò)涉及電路層接入點(diǎn)之間的信息傳遞并獨(dú)立于通道層。電路層網(wǎng)絡(luò)直接面向公用交換業(yè)務(wù)，并向用戶直接提供通信業(yè)務(wù)，如電路交換業(yè)務(wù)、分組交換業(yè)務(wù)和租用線業(yè)務(wù)等。按照提供業(yè)務(wù)的不同可以區(qū)分不同的電路層網(wǎng)絡(luò)。電路層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備包括用于各種交換業(yè)務(wù)的交換機(jī)和用于租用線業(yè)務(wù)的交叉連接設(shè)備。

2）通道層（TP）

通道層網(wǎng)絡(luò)涉及通道層連接點(diǎn)之間的信息傳遞并支持一個(gè)或多個(gè)電路層網(wǎng)絡(luò)，為電路層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（例如交換機(jī)）提供透明的通道（即電路群），通道的建立由交叉連接設(shè)備負(fù)責(zé)。接入網(wǎng)支持的通道層包括同步傳輸模式（STM）、異步傳輸模式（ATM）、分組傳送模式（PTM）和幀傳輸模式（FTM）。

3）傳輸媒質(zhì)層（TM）

傳輸媒質(zhì)層網(wǎng)絡(luò)與傳輸媒質(zhì)（如光纜、微波）有關(guān)，它支持一個(gè)或多個(gè)通道層網(wǎng)絡(luò)，為通道層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如交叉連接設(shè)備）之間提供合適的通道容量。圖7－2接入網(wǎng)通用協(xié)議參考模型以上三層之間相互獨(dú)立，相鄰層之間符合客戶/服務(wù)者關(guān)系，這里所說的客戶是指使用傳送服務(wù)的層面，服務(wù)者是指提供傳送服務(wù)的層面。例如：對(duì)于電路層與通道層而言，電路層為客戶，通道層為服務(wù)者；而對(duì)于通道層和傳輸媒質(zhì)層而言，通道層又變?yōu)榭蛻?，傳輸媒質(zhì)層為服務(wù)者。

對(duì)于接入網(wǎng)而言，電路層上面應(yīng)有接入網(wǎng)特有的接入承載處理功能（AF），在考慮層管理和系統(tǒng)管理的功能后，整個(gè)接入網(wǎng)的通用協(xié)議參考模型可以用圖7－2表示。

4.接入網(wǎng)的主要特點(diǎn)

接入網(wǎng)位于核心網(wǎng)和用戶（用戶駐地網(wǎng)）之間，直接擔(dān)負(fù)著廣大用戶的信息傳遞和交換。與核心網(wǎng)相比，接入網(wǎng)具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)：

（1）主要完成復(fù)用、交叉連接和傳輸功能。接入網(wǎng)主要完成復(fù)用、交叉連接和傳輸功能，不具有交換功能，經(jīng)開放的V5標(biāo)準(zhǔn)接口可實(shí)現(xiàn)與任何種類交換設(shè)備的互連。

（2）提供各種綜合業(yè)務(wù)。接入網(wǎng)業(yè)務(wù)需求種類多，除接入交換業(yè)務(wù)外，還可接入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)以及租用業(yè)務(wù)等。（3）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（網(wǎng)徑）較小。接入網(wǎng)負(fù)責(zé)連接本地業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)和用戶（用戶駐地網(wǎng)），因此一般傳輸距離較短，在市區(qū)為幾公里，在郊區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)為幾公里到十幾公里。而核心網(wǎng)由于是信息傳遞的干線部分，覆蓋范圍廣，與接入網(wǎng)相比，傳輸距離長(zhǎng)得多。

（4）成本與用戶有關(guān)。因?yàn)榻尤刖W(wǎng)需要覆蓋所有類型的用戶，各用戶的傳輸距離不同，這就造成了成本上的差異，同時(shí)也造成了接入網(wǎng)對(duì)于成本的高度敏感性。

（5）施工難度較大。接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與用戶所處的實(shí)際地形有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，地形多變，有較大的施工難度。特別是接入網(wǎng)側(cè)涉及到各種復(fù)雜的用戶環(huán)境，對(duì)于布線、供電和天線架設(shè)等都較為復(fù)雜。（6）對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。與核心網(wǎng)的設(shè)備應(yīng)用環(huán)境不同，接入網(wǎng)的各種遠(yuǎn)端設(shè)備一般沒有在核心網(wǎng)環(huán)境中非常完善的機(jī)房等設(shè)施，因此需要適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，例如靈活地設(shè)置室外或室內(nèi)各種用戶環(huán)境，以利于減少建設(shè)維護(hù)費(fèi)用。

（7）組網(wǎng)能力強(qiáng)。接入網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)際情況提供環(huán)形、星形、鏈形、樹形等靈活多樣的組網(wǎng)方式。核心網(wǎng)中的組網(wǎng)形式一般呈現(xiàn)線性—環(huán)形—網(wǎng)孔形的發(fā)展趨勢(shì)，而在接入網(wǎng)中由于用戶側(cè)各種網(wǎng)絡(luò)格局和需求差異性較大，因此可能會(huì)出現(xiàn)各種組網(wǎng)模式并存的局面。

5.接入網(wǎng)的分類

根據(jù)不同的分類方法，可以把接入網(wǎng)分成不同的類型。最常見的是根據(jù)傳輸方式（媒質(zhì)）將接入網(wǎng)分為有線接入網(wǎng)和無線接入網(wǎng)兩類，如圖7－3所示。有線接入網(wǎng)包括銅線接入網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)和光纖同軸混合接入網(wǎng)；無線接入網(wǎng)包括固定終端無線接入網(wǎng)和移動(dòng)終端無線接入網(wǎng)。圖7－3接入網(wǎng)分類示意圖7.1.2光纖接入網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及功能

光纖接入網(wǎng)（OAN）是指在接入網(wǎng)中采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)來實(shí)現(xiàn)信息傳送的網(wǎng)絡(luò)形式，也即在SNI和UNI之間全部或部分采用光纖傳輸技術(shù)的接入網(wǎng)。它不是傳統(tǒng)意義上的光纖傳輸系統(tǒng)，而是針對(duì)接入網(wǎng)環(huán)境所設(shè)計(jì)的特殊光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)。

1.光纖接入網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

光纖接入網(wǎng)采用光纖作為主要傳輸媒質(zhì)，而局側(cè)和用戶側(cè)所發(fā)出和接收的均為電信號(hào)，所以在局側(cè)要進(jìn)行電/光變換，在用戶側(cè)要進(jìn)行光/電變換，才可實(shí)現(xiàn)中間線路的光信號(hào)傳輸。一個(gè)一般意義上的光纖接入網(wǎng)示意圖如圖7－4所示。圖7－4光纖接入網(wǎng)示意圖圖7－5光纖接入網(wǎng)的參考配置

從系統(tǒng)配置上可將OAN分為無源光網(wǎng)絡(luò)PON和有源光網(wǎng)絡(luò)AON。

無源光網(wǎng)絡(luò)PON是指在OLT和ONU之間沒有任何有源設(shè)備，而只使用光纖等無源器件。PON對(duì)各種業(yè)務(wù)透明，易于升級(jí)擴(kuò)容，便于維護(hù)管理。有源光網(wǎng)絡(luò)（AON）中，用有源設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（如SDH環(huán)網(wǎng)）的光遠(yuǎn)程終端（ODT）代替了無源光網(wǎng)絡(luò)中的ODN，傳輸距離和容量較大，業(yè)務(wù)分配和規(guī)劃可以獲得總體的優(yōu)化；不足的是，有源設(shè)備需要機(jī)房、供電和維護(hù)等輔助設(shè)施，同時(shí)也存在著升級(jí)困難等缺點(diǎn)。圖7－5所示的結(jié)構(gòu)中，基本功能塊包括OLT、ODN、ONU及適配設(shè)備（AF）等；主要參考點(diǎn)包括光發(fā)送參考點(diǎn)S、光接收參考點(diǎn)R、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)間參考點(diǎn)V、用戶終端間參考點(diǎn)T以及AF與ONU之間的參考點(diǎn)a；接口包括網(wǎng)絡(luò)管理接口Q3以及用戶與網(wǎng)絡(luò)間接口UNI。

從給定網(wǎng)絡(luò)接口（V接口）到單個(gè)用戶接口（T接口）之間傳輸手段的總和稱為接入鏈路。光接入鏈路系統(tǒng)可以看做是一種使用光纖的具體實(shí)現(xiàn)手段，用以支持接入鏈路。

OLT和ONU之間的傳輸連接既可以是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式，也可以是一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)方式，具體的ODN形式要根據(jù)用戶情況而定。至于雙工傳輸方式，則可以是空分復(fù)用（SDM）、波分復(fù)用（WDM）、副載波復(fù)用（SCM）、時(shí)間壓縮復(fù)用（TCM）以及時(shí)分多址接入（TDMA）等。

2.光纖接入網(wǎng)的基本功能塊

OLT、ONU和ODN等功能塊構(gòu)成了光纖接入網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。下面簡(jiǎn)要介紹這幾個(gè)主要模塊的功能。

1）OLT

光線路終端（OLT）的作用是提供網(wǎng)絡(luò)與光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）之間的光接口，并提供必要的手段來傳送不同的業(yè)務(wù)。OLT可以分離交換和非交換業(yè)務(wù)，對(duì)來自O(shè)NU的信令和監(jiān)控信息進(jìn)行管理，從而為ONU和自身提供維護(hù)和供給功能。

OLT可以設(shè)置在本地交換機(jī)的接口處，也可以設(shè)置在遠(yuǎn)端；可以是獨(dú)立的設(shè)備，也可以與其他設(shè)備集成在一個(gè)總設(shè)備內(nèi)。OLT的內(nèi)部由核心部分、業(yè)務(wù)部分和公共部分組成。

2）ONU

光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）位于ODN和用戶之間。ONU的網(wǎng)絡(luò)具有光接口，而用戶則為電接口，因此需要具有光/電變換功能。它能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電信號(hào)的處理與維護(hù)。ONU內(nèi)部由核心部分、業(yè)務(wù)部分和公共部分組成。

如果ONU僅服務(wù)于單個(gè)用戶，有時(shí)也稱為光網(wǎng)絡(luò)終端ONT。

3）ODN

光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）位于ONU和OLT之間，其主要功能是完成光信號(hào)的管理分配。以無源光網(wǎng)絡(luò)PON為例，其中的ODN主要由無源光器件和光纖構(gòu)成無源光路分配網(wǎng)絡(luò)。ODN中的光通道通常采用樹形結(jié)構(gòu)，如圖7－6所示。

圖7－6中的ODN是由p個(gè)級(jí)聯(lián)的光通道元件構(gòu)成的，總的光通道L等于各部分Lj（j＝1，2，…，p）之和。通過這些元件可以實(shí)現(xiàn)直接光連接、光分路/合路、多波長(zhǎng)光傳輸及光路監(jiān)控等功能。圖7－6

ODN中的光通道

4）AF

適配設(shè)備（AF）主要為ONU和用戶設(shè)備提供適配功能，它可以包括在ONU之內(nèi)，也可以獨(dú)立使用。

3.光纖接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光纖接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有總線形、環(huán)形和星形，由此又可以派生出樹形、雙星形、環(huán)形－星形等結(jié)構(gòu)，如圖7－7所示。圖7－7光纖接入網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1）總線形結(jié)構(gòu)

總線形結(jié)構(gòu)屬于串聯(lián)形結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是：共享主干光纖，節(jié)省線路投資，增刪節(jié)點(diǎn)容易，彼此干擾?。蝗秉c(diǎn)是：線路損耗隨距離逐漸累積，用戶接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍要求較高，對(duì)主干光纖的依賴性太強(qiáng)，因此實(shí)際中一般較少采用。

2）環(huán)形結(jié)構(gòu)

環(huán)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)自愈；缺點(diǎn)：?jiǎn)苇h(huán)所掛用戶數(shù)量有限，多環(huán)互通又較為復(fù)雜，不適合于分配形業(yè)務(wù)。

3）星形結(jié)構(gòu)

星形結(jié)構(gòu)中，各用戶終端通過一個(gè)位于中央節(jié)點(diǎn)（設(shè)在端局內(nèi)）具有控制和交換功能的星形耦合器進(jìn)行信息交換。這種結(jié)構(gòu)屬于并聯(lián)形結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)：各用戶之間相對(duì)獨(dú)立，保密性好，業(yè)務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)；缺點(diǎn)：所需光纖代價(jià)高，組網(wǎng)靈活性差，對(duì)中央節(jié)點(diǎn)的可靠性要求高。

4）樹形結(jié)構(gòu)

樹形結(jié)構(gòu)是一種總線形和星形拓?fù)涞慕Y(jié)合，適合于廣播形業(yè)務(wù)。它的缺點(diǎn)：功率損失較大，雙向通信難度較大。

5）雙星形結(jié)構(gòu)

雙星形結(jié)構(gòu)中，各用戶共享部分線路和設(shè)備，大大降低了網(wǎng)絡(luò)造價(jià)，易于維護(hù)，便于升級(jí)。

6）環(huán)形－星形結(jié)構(gòu)

環(huán)形－星形結(jié)構(gòu)是上述幾種結(jié)構(gòu)的結(jié)合。

目前，光纖接入網(wǎng)較多采用的是星形結(jié)構(gòu)。7.1.3光纖接入網(wǎng)的分類

1.FTTC

FTTC是光纖接入網(wǎng)應(yīng)用較早時(shí)期的典型方案，即將ONU設(shè)置在路邊或街角的人孔/手孔或電桿上的分線盒處，有時(shí)也可設(shè)置在交接箱處，然后再用對(duì)絞銅線或同軸電纜引入用戶。FTTC的優(yōu)點(diǎn)是可以利用部分用戶側(cè)的銅線資源；缺點(diǎn)是作為一種光纖/銅線混合系統(tǒng)，其維護(hù)運(yùn)行的成本較高，用戶側(cè)較長(zhǎng)的銅線不利于要求較高的寬帶業(yè)務(wù)應(yīng)用，且長(zhǎng)遠(yuǎn)來看銅線仍會(huì)面臨淘汰。

2.FTTB

FTTB是FTTC的變形，不同之處是將ONU直接置于樓宇內(nèi)部（包括居民住宅、商用建筑等），再由高質(zhì)量銅線如5類或6類非屏蔽雙絞線UTP將業(yè)務(wù)分送至各個(gè)終端用戶。FTTB的光纖化程度較FTTC高，因此適應(yīng)于用戶密度較高的場(chǎng)合。FTTB目前也較多和綜合布線系統(tǒng)共同使用。

3.FTTH/FTTO

FTTH/FTTO是光接入網(wǎng)理想的實(shí)現(xiàn)方案。它將ONU直接設(shè)置于用戶家庭或企事業(yè)單位辦公室，是一種全光纖的接入網(wǎng)，具有端到端的高帶寬傳輸能力，對(duì)業(yè)務(wù)的內(nèi)容、格式等都具有高度的透明性；缺點(diǎn)是目前在推廣時(shí)還存在成本等的制約，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看是接入網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

4.FTTPC

FTTPC（包括光纖到桌面FTTD）是目前一種新的提法。持此觀點(diǎn)的人認(rèn)為，將來用戶側(cè)的業(yè)務(wù)種類和數(shù)量可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有的預(yù)計(jì)，F(xiàn)TTH也未必能夠滿足需求，需要更進(jìn)一步地將光纖連接至用戶終端，包括未來的用戶側(cè)終端設(shè)備可能都會(huì)內(nèi)置ONU，因此光纖接入需要實(shí)現(xiàn)光纖到計(jì)算機(jī)。當(dāng)然對(duì)此也有不同的認(rèn)識(shí)，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為FTTH已經(jīng)足夠，用戶側(cè)可以采用其他方法實(shí)現(xiàn)短距離高帶寬的連接，如各種短距離無線接入。

從光纖接入網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用來看，光纖接入網(wǎng)的普及主要受到成本和業(yè)務(wù)應(yīng)用等多方面的制約，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，以FTTH/FTTO＋家庭（辦公室）無線網(wǎng)的形式實(shí)現(xiàn)寬帶接入可能是一種較好的選擇。圖7－8給出了這樣一個(gè)接入方案的示意。圖7－8

FTTH/FTTO+無線接入示例 7.2光纖接入網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

7.2.1突發(fā)收發(fā)技術(shù)

一個(gè)典型的光纖傳輸系統(tǒng)中，光發(fā)送機(jī)和光接收機(jī)之間是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的關(guān)系，因此對(duì)于光發(fā)送機(jī)而言，無論采用直接調(diào)制或間接調(diào)制，都允許光發(fā)送機(jī)有一段時(shí)間用以建立穩(wěn)定的信號(hào)輸出。而在光纖接入網(wǎng)中，特別是對(duì)于采用TDMA方式的光纖接入網(wǎng)而言，由于多個(gè)ONU使用同一個(gè)上行波長(zhǎng)，每個(gè)ONU都只能在屬于自己的特定時(shí)間輸出光信號(hào)，因此對(duì)于ONU的光發(fā)送機(jī)而言需要有快速的功率開啟和切斷功能。同時(shí)，由于在光纖接入網(wǎng)中ONU和OLT之間存在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的邏輯拓?fù)?，即多個(gè)ONU對(duì)應(yīng)于一個(gè)OLT，為保證上行信號(hào)不出現(xiàn)沖突和碰撞，任何時(shí)刻都只能有一個(gè)ONU發(fā)送信號(hào)，其他所有ONU都應(yīng)處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)要求其余所有ONU的殘留光之和不能對(duì)正在發(fā)光的ONU產(chǎn)生影響，這對(duì)ONU側(cè)光發(fā)送機(jī)的消光比也提出了較高的要求。

OLT側(cè)也有類似的問題。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖傳輸系統(tǒng)，光接收機(jī)接收到的信號(hào)電平波動(dòng)較小，接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍容易確定。而在光纖接入網(wǎng)中，由于每個(gè)ONU與OLT間光路損耗不同，因此不同ONU發(fā)送的信號(hào)到達(dá)OLT側(cè)會(huì)存在較大的功率波動(dòng)。OLT的光接收機(jī)需要能靈活快速地調(diào)整接收電平，迅速地接收和恢復(fù)數(shù)據(jù)。因此，接收機(jī)需要較大的動(dòng)態(tài)范圍，并且能夠設(shè)定門限快速區(qū)分比特“0”和比特“1”。7.2.2突發(fā)同步技術(shù)

在采用TDM/TDMA方式傳輸?shù)墓饨尤刖W(wǎng)中，下行方向傳輸?shù)氖沁B續(xù)數(shù)字信號(hào)，故在ONU的接收部分只需對(duì)光檢測(cè)器檢測(cè)出的電信號(hào)進(jìn)行定時(shí)提取和判決即可完成定時(shí)再生，其中定時(shí)提取可以通過鎖相環(huán)PLL實(shí)現(xiàn)。而在ONU至OLT的上行傳輸方向上，各ONU傳輸?shù)纳闲行畔⒁孕旁蚬潭?可變幀長(zhǎng)（時(shí)隙）的形式通過TDMA方式傳送。由于各ONU的時(shí)鐘是從OLT傳輸來的下行幀信號(hào)中提取的，而且ONU在OLT規(guī)定的時(shí)間內(nèi)傳送上行信號(hào)，所以在OLT端接收來自不同ONU的信號(hào)其時(shí)鐘頻率雖然基本相同，但是各ONU與OLT的距離不同，因此各個(gè)ONU信號(hào)經(jīng)傳輸時(shí)延后，到達(dá)OLT時(shí)的比特相位不同。OLT接收到從ONU來的短脈沖數(shù)據(jù)流，這些數(shù)據(jù)流的比特相位各不相同且是未知的。由于組成上行幀的各ONU傳輸?shù)男旁獢?shù)有限，為了不丟失有用信息，需有較快的比特同步，因此OLT處的比特同步必須在每個(gè)上行ONU短脈沖數(shù)據(jù)流期間建立。這使得快速比特同步電路在幾個(gè)比特周期內(nèi)與輸入數(shù)據(jù)同步，從而把每個(gè)ONU發(fā)送的信號(hào)正確恢復(fù)出來。突發(fā)同步的主要方法包括相關(guān)同步法和門控振蕩法。

相關(guān)同步法由多相時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生多相時(shí)鐘，其相位差為(π/8)～2π。根據(jù)每路時(shí)鐘相位與主時(shí)鐘相位的關(guān)系，分別加入一定的時(shí)延，數(shù)據(jù)信號(hào)分別與多相時(shí)鐘進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，選擇相關(guān)度最高的一路時(shí)鐘為同步時(shí)鐘。此方案中全數(shù)字可以用FPGA器件實(shí)現(xiàn)，但電路復(fù)雜，相關(guān)法有不可避免的相位誤差，且誤差的大小由兩相鄰移相時(shí)鐘的相位差所決定，因此移相時(shí)鐘越多，移相越精細(xì)，誤差就越小，但這對(duì)高速傳輸系統(tǒng)來說，是很難實(shí)現(xiàn)的。門控振蕩法包括3個(gè)振蕩器，A、B用于同步輸入信號(hào)，C用于控制A、B，每一個(gè)振蕩器隨信號(hào)變化開啟或關(guān)斷從而和輸入信號(hào)達(dá)到同步。為了使A、B振蕩器達(dá)到一致，采用鎖相技術(shù)主振C的頻率保持穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是無記憶性系統(tǒng)，在門控振蕩器關(guān)閉時(shí)任何由于振蕩頻率或傳輸頻率不匹配而積累的相位錯(cuò)誤都會(huì)被屏蔽掉；缺點(diǎn)是成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。

圖7－9分別給出了相關(guān)同步法和門控振蕩法實(shí)現(xiàn)突發(fā)同步的原理。圖7－9突發(fā)同步實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理7.2.3測(cè)距技術(shù)

光接入網(wǎng)的環(huán)境是典型的點(diǎn)到多點(diǎn)方式，由于各個(gè)ONU到OLT的距離不等，為了防止各個(gè)ONU所發(fā)上行信號(hào)發(fā)生沖突，OLT需要一套測(cè)距功能，以保證不同物理距離的ONU與OLT之間的“邏輯距離”相等，即傳輸時(shí)延一致，以避免碰撞和沖突的出現(xiàn)。盡管每一ONU在物理上總與OLT相連，但只在預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)取出屬于自己的信息。在上行方向，每一用戶的信息也是在預(yù)先確定的時(shí)隙內(nèi)插入預(yù)先分配好的時(shí)隙再送給OLT。OLT必須不斷測(cè)量每一ONU與OLT之間的距離，指揮每一ONU調(diào)整發(fā)送時(shí)間使之不至于沖突。解決的辦法是在所有的ONU中插入補(bǔ)償時(shí)延，使每個(gè)ONU到OLT的總時(shí)延相等。因此，測(cè)距也即測(cè)量各個(gè)ONU到OLT的實(shí)際距離，并將所有的ONU到OLT的虛擬距離設(shè)置相等的過程。

1.低幅偽隨機(jī)碼測(cè)距（擴(kuò)頻法測(cè)距）

測(cè)距時(shí)，OLT先向需測(cè)距的ONU發(fā)出測(cè)距指令，ONU收到指令后，向上行方向發(fā)出特定的一個(gè)幅度很小的偽隨機(jī)碼。由于此信號(hào)幅度很?。ㄏ鄬?duì)于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幅度而言可忽略），因此測(cè)距過程中不用中斷其他ONU運(yùn)行中的業(yè)務(wù)。在OLT接收端，利用相關(guān)檢測(cè)的方法，將信號(hào)到達(dá)相位提取出來。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距過程可以在不中斷ONU業(yè)務(wù)的情況下進(jìn)行，可以減小ONU對(duì)信元緩沖器的需求，對(duì)業(yè)務(wù)QoS的影響不大；缺點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，精度不高。

2.低幅低頻正弦波測(cè)距（帶外法測(cè)距）

粗測(cè)時(shí)OLT向ONU發(fā)出一條測(cè)距指令，ONU接到指令后將低頻小幅的正弦波加到激光器的偏置電流中，正弦波的初始相位固定。OLT可通過檢測(cè)正弦波的相位值計(jì)算出環(huán)路時(shí)延。精測(cè)時(shí)需要開一個(gè)幀大小的窗口。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是采用低幅帶外的測(cè)距信號(hào)，測(cè)距過程不中斷運(yùn)行中的ONU業(yè)務(wù)，不需要加大信元緩沖器，對(duì)業(yè)務(wù)QoS的影響很??；缺點(diǎn)是采用模擬相位測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高，而且由于靜態(tài)測(cè)距要分兩個(gè)階段完成，所需的完成時(shí)間長(zhǎng)，不利于切換時(shí)的系統(tǒng)恢復(fù)。

3.開窗測(cè)距法（帶內(nèi)法測(cè)距）

當(dāng)有ONU需要測(cè)距時(shí)，OLT發(fā)出指令使所有運(yùn)行中的ONU在某段時(shí)間內(nèi)暫停上行業(yè)務(wù)，相當(dāng)于在上行時(shí)隙內(nèi)打開一個(gè)測(cè)距窗口；同時(shí)，命令需測(cè)距的ONU向上發(fā)送一個(gè)特殊的信元。OLT記錄從發(fā)出命令到收到ONU響應(yīng)信元的時(shí)延，即可得到此ONU的環(huán)路時(shí)延值Tloop。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是利用了成熟的數(shù)字技術(shù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，精度高，成本低；缺點(diǎn)是測(cè)距占用上行帶寬。圖7－10

OLT環(huán)路時(shí)延測(cè)試原理測(cè)距過程和原理如下：

(1)ONU上電后，OLT初始化測(cè)距進(jìn)程，并廣播發(fā)送控制消息；所有正在運(yùn)行的ONU接收到這個(gè)控制消息，則掛起它們的上行業(yè)務(wù)。

（2）OLT啟動(dòng)與連接的比特速率相對(duì)應(yīng)頻率的內(nèi)部計(jì)數(shù)器。

（3）OLT給需要測(cè)距的ONU發(fā)送測(cè)距（Range）控制消息，設(shè)定Ttx0為測(cè)距消息的發(fā)送時(shí)間。測(cè)距消息在Tdi+Ttx0時(shí)間到達(dá)ONUi，Tdi是從OLT到ONUi的傳輸時(shí)延。（4）ONUi一接收到Range消息，它將給OLT發(fā)送回應(yīng)（ACK）消息。因?yàn)樗械腛NU已經(jīng)掛起它們的上行發(fā)送，所以這個(gè)消息將不會(huì)與其它的上行發(fā)送消息沖突。設(shè)定Ttxi為回應(yīng)（ACK）消息的發(fā)送時(shí)間。

回應(yīng)（ACK）消息在時(shí)間Trti=Ttx0+Tdi+Ttxi+Tui到達(dá)LT，Tui是從ONUi到OLT的傳輸時(shí)延。這個(gè)時(shí)間由讀取第二步啟動(dòng)的計(jì)數(shù)器得到。7.2.4多址接入技術(shù)

多址接入技術(shù)包括時(shí)分多址接入TDMA、波分多址接入WDMA、副載波多址接入SCMA和碼分多址接入CDMA等。

時(shí)分多址接入TDMA是目前光纖接入網(wǎng)最常用的技術(shù)之一。從OLT到ONU的下行信號(hào)，傳輸時(shí)通常采用時(shí)分復(fù)用（TDM）方式以廣播方式將TDM信號(hào)送給所有的與OLT相連的ONU。上行傳輸時(shí)將時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)隙，每一時(shí)隙內(nèi)只安排一個(gè)ONU，以分組方式向OLT發(fā)送分組信息。每個(gè)ONU嚴(yán)格按照預(yù)先規(guī)定的順序依次發(fā)送。為了避免與OLT距離不同的ONU所發(fā)的上行信號(hào)在OLT處發(fā)生沖突，OLT需要有一套復(fù)雜的測(cè)距功能，不斷測(cè)量每一ONU與OLT之間的時(shí)延（即邏輯距離），指揮每一個(gè)ONU調(diào)整發(fā)送時(shí)間，使之不至于互相沖突。波分多址接入WDMA方式是采用不同的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于不同的ONU。采用單根光纖，兩個(gè)方向的信號(hào)（上行信號(hào)和下行信號(hào)）分別調(diào)在不同的波長(zhǎng)上。各個(gè)ONU不同波長(zhǎng)的上行光信號(hào)，送至光分路器并耦合進(jìn)光纖，該復(fù)用信號(hào)到達(dá)OLT后，利用WDM器件可分出屬于各個(gè)ONU的光信號(hào)，再經(jīng)過光檢測(cè)器解調(diào)出電信號(hào)。上行傳輸（從ONU到OLT）必須工作在1310nm波長(zhǎng)區(qū)，下行傳輸（OLT到ONU）工作在1310nm或1550nm波長(zhǎng)區(qū)。當(dāng)上、下行均工作在1310nm波長(zhǎng)區(qū)時(shí)，上行信號(hào)處于1310nm波長(zhǎng)區(qū)高端，下行信號(hào)處于1310nm波長(zhǎng)區(qū)低端。副載波多址接入SCMA方式以射頻或微波作為副載波（頻率一般為幾百兆赫至十幾吉赫范圍），將各個(gè)ONU的上行信號(hào)調(diào)制上去，再用已調(diào)制的副載波去分別調(diào)制各ONU的激光器，產(chǎn)生的已調(diào)光信號(hào)通過光分路器（OBD）后，經(jīng)光纖傳輸?shù)絆LT，通過檢測(cè)、放大、解調(diào)后還原出各ONU的上行信號(hào)。

碼分多址接入CDMA方式是為每一個(gè)ONU分配一個(gè)多址碼，并將各ONU的上行信碼與其進(jìn)行模2加后，再去調(diào)制具有相同波長(zhǎng)的激光器，經(jīng)光分路器（OBD）合路后傳輸?shù)絆LT，通過檢測(cè)、放大和模2加等電路后，恢復(fù)出ONU送來的上行反碼。時(shí)間壓縮多址接入TCMA方式的基本原理是將同一根光纖上的傳輸時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間段，上行信號(hào)和下行信號(hào)分別在不同的時(shí)間段內(nèi)以脈沖串的方式輪流傳輸。OLT將送往各ONU的下行信號(hào)經(jīng)時(shí)分復(fù)用組成下行脈沖串，利用某一個(gè)時(shí)間段傳至光分路器（OBD），再以廣播方式送至各個(gè)ONU。各個(gè)ONU分別取出屬于自己的信息，接著在相鄰的時(shí)間段內(nèi)，各ONU依次向OLT發(fā)送分組信號(hào)，形成上行信號(hào)脈沖，待其發(fā)送完畢，OLT又開始向下游發(fā)送一個(gè)下行脈沖串，如此循環(huán)下去?？紤]具體經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和應(yīng)用條件后，TDMA是應(yīng)用最廣泛的多址接入方式，也是ITU－T目前標(biāo)準(zhǔn)化的主要方式。在多數(shù)無源光纖接入網(wǎng)系統(tǒng)中，通常采用TDM/TDMA工作方式。在下行方向采用TDM復(fù)用形式，以廣播方式將信號(hào)送給所有與OLT相連的ONU，盡管每一ONU在物理上總是與OLT相連的，但只能在一個(gè)預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)接入并取出屬于自己的信息。7.2.5服務(wù)質(zhì)量和安全技術(shù)

光纖接入網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量和安全技術(shù)是保證用戶對(duì)于不同業(yè)務(wù)類型需求的關(guān)鍵技術(shù)。采用TDM方式傳送下行數(shù)據(jù)的光接入網(wǎng)，必須采取一定的認(rèn)證和鑒權(quán)機(jī)制，以保證每一個(gè)ONU只能獲得自己所需的信息，而其他ONU不能獲取。對(duì)于上行信號(hào)而言，需要采取認(rèn)證機(jī)制，以保證只有合法的ONU可以與OLT建立連接，同時(shí)需要保證各個(gè)ONU對(duì)于上行接入機(jī)會(huì)（帶寬）的公平占用。針對(duì)用戶不同類型的業(yè)務(wù)，如對(duì)時(shí)延、誤碼率等要求不同的話音和視頻業(yè)務(wù)等，還要采取不同的對(duì)策加以區(qū)別對(duì)待。

光纖接入網(wǎng)中的服務(wù)質(zhì)量和安全技術(shù)將在7.4節(jié)中針對(duì)不同的光纖接入網(wǎng)技術(shù)方案分別討論。 7.3有源光纖接入網(wǎng)AON

7.3.1

AON的基本概念

有源光纖接入網(wǎng)AON中的ODN，由包括PDH或SDH的有源節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成。AON的本質(zhì)是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的光纖傳輸系統(tǒng)，主要適用于用戶分布相對(duì)較為集中的大客戶環(huán)境，如機(jī)關(guān)、企事業(yè)單位、醫(yī)院和學(xué)校等。根據(jù)傳輸復(fù)用體制的不同，AON又可以分為基于PDH的AON和基于SDH的AON，其中后者目前應(yīng)用較多。7.3.2基于PDH的AON

PDH有源光接入網(wǎng)采用PDH點(diǎn)到點(diǎn)方式將OLT和多個(gè)ONU相連，其基本的性能指標(biāo)和參數(shù)與傳統(tǒng)的光纖本地環(huán)路系統(tǒng)（FITL）相似，包括發(fā)送功率、接收靈敏度、過載點(diǎn)、線路碼型、工作波長(zhǎng)、運(yùn)行和維護(hù)特性等。由于PDH的特點(diǎn)，在ITU－T建議G.955中只對(duì)縱向兼容性進(jìn)行了規(guī)范，即只保證光纜線路系統(tǒng)和兩端設(shè)備可以獨(dú)立地標(biāo)準(zhǔn)化，但光纜線路本身和兩端設(shè)備本身必須由同一廠家產(chǎn)品組成?；赑DH的AON一般可以通過V5接口與本地終端互連。由于PDH的光接入網(wǎng)只具有縱向兼容性，同時(shí)復(fù)用過程較為復(fù)雜，因此又提出了SPDH和PSDH兩種改進(jìn)的PDHAON。SPDH稱為同步的PDH，其核心是在PDH二次群（E2）或三次群（E3）速率等級(jí)實(shí)現(xiàn)同步復(fù)用和解復(fù)用，這樣可以大為提高業(yè)務(wù)上下的靈活性，缺點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化程度較低。PSDH稱為準(zhǔn)同步的SDH，其采用了一種新的同步字節(jié)復(fù)用的幀結(jié)構(gòu)，ITU－T建議G.832對(duì)此進(jìn)行了規(guī)范。PSDH可以在不改變現(xiàn)有的PDH線路系統(tǒng)情況下透明傳送SDH凈負(fù)荷，缺點(diǎn)是可能會(huì)引入較大的指針調(diào)整抖動(dòng)。7.3.3基于SDH的AON

1.接入環(huán)境對(duì)SDH設(shè)備的要求

由于SDH技術(shù)誕生之初是針對(duì)高速率、大容量的光纖傳輸系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的，因此在光纖接入網(wǎng)中使用時(shí)存在一些缺點(diǎn)。干線系統(tǒng)中，支路信號(hào)在映射入SDH時(shí)會(huì)經(jīng)由多次映射和指針調(diào)整過程，而在接入環(huán)境中由于業(yè)務(wù)的特殊性一般只需要一次映射即可完成映射過程。因此，適宜干線傳輸系統(tǒng)的SDH中相對(duì)較為復(fù)雜的映射過程在接入環(huán)境中可以簡(jiǎn)化，同時(shí)對(duì)于時(shí)鐘同步、設(shè)備類型構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)管理、保護(hù)倒換配置等方面都可以有所簡(jiǎn)化。

2.簡(jiǎn)化SDH系統(tǒng)的方案

如何在保證SDH同步復(fù)用和標(biāo)準(zhǔn)接口等優(yōu)點(diǎn)的前提下，對(duì)SDH加以改進(jìn)以適應(yīng)接入網(wǎng)的要求是SDH有源光纖接入網(wǎng)面臨的主要問題。已經(jīng)提出的一些方法包括：

（1）簡(jiǎn)化系統(tǒng)，如省去部分設(shè)備用的電源盤、交叉連接盤，簡(jiǎn)化時(shí)鐘和保護(hù)倒換盤的配置，包括將電的復(fù)用盤和光發(fā)送/接收盤進(jìn)行集成，以減小體積，來簡(jiǎn)化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)立子速率。為了適應(yīng)接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可以考慮設(shè)立低于STM－1的子速率，如51840Mb/s和7488Mb/s。前者是北美SONET系統(tǒng)中STS－1的速率，同時(shí)也被納入我國(guó)SDH傳輸體制和ITU－T標(biāo)準(zhǔn)的附件。（3）簡(jiǎn)化網(wǎng)管。由于接入網(wǎng)所需要管理的網(wǎng)徑較小，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的種類和數(shù)量也較小，因此可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理的功能進(jìn)行簡(jiǎn)化。例如將網(wǎng)絡(luò)管理功能置于城域網(wǎng)絡(luò)，而接入網(wǎng)只是負(fù)責(zé)最基本的告警和性能等數(shù)據(jù)的采集工作。

（4）簡(jiǎn)化保護(hù)配置。

（5）靈活組網(wǎng)方式。除了在干線系統(tǒng)中廣泛采用的環(huán)狀拓?fù)湟酝?，還可以根據(jù)實(shí)際的需求，允許點(diǎn)到點(diǎn)的組網(wǎng)形式。

（6）簡(jiǎn)化映射和復(fù)用過程。

（7）簡(jiǎn)化時(shí)鐘同步。

3.基于SDH的AON發(fā)展趨勢(shì)

考慮到SDH體制在現(xiàn)有的干線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)絕大多數(shù)份額，因此接入側(cè)選用基于SDH的AON具有一定的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于用戶分布密集的用戶環(huán)境更是如此。但是必須注意的是，接入環(huán)境中用戶側(cè)的業(yè)務(wù)類型越來越多的是基于IP類的業(yè)務(wù)和應(yīng)用，包括各種Ethernet業(yè)務(wù)和基于IP的多媒體業(yè)務(wù)等，而面向電路連接的SDH對(duì)IP業(yè)務(wù)的承載存在一定缺陷，需要采用一些特殊的適配技術(shù)才能較高效率地承載IP業(yè)務(wù)。同時(shí)，從維護(hù)角度出發(fā)，在接入網(wǎng)中存在大量的有源節(jié)點(diǎn)，不僅對(duì)供電等保障要求較高，也使得應(yīng)用上存在一定的局限性?；赟DH的AON對(duì)于像政府、金融單位等有較多傳統(tǒng)TDM業(yè)務(wù)和各種永久租用線業(yè)務(wù)的用戶而言較為適宜，但不適宜于家庭等用戶相對(duì)分散的接入環(huán)境。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，光纖接入網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是無源化。 7.4無源光纖接入網(wǎng)PON

7.4.1

PON的基本概念

在光纖接入網(wǎng)中，如果ODN全部是由無源器件組成的，不包括任何有源節(jié)點(diǎn)，則這種光纖接入網(wǎng)就是無源光纖接入網(wǎng)PON。PON中的ODN部分僅由光分路器和光纜等無源器件組成，因此PON具有極高的可靠性，同時(shí)對(duì)環(huán)境的依賴程度小，是光纖接入網(wǎng)中最為看好的技術(shù)。特別是針對(duì)光纖接入的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)FTTH而言，PON是各種實(shí)現(xiàn)方案中所需骨干光纖和光收發(fā)器最少的解決方案，圖7－11給出了實(shí)現(xiàn)FTTH時(shí)各種不同方案所需光纖和光收發(fā)器數(shù)量的示意圖。圖7－11不同方案實(shí)現(xiàn)FTTH所需光纖和光收發(fā)器數(shù)量

考慮到實(shí)際用戶環(huán)境的復(fù)雜性，PON的結(jié)構(gòu)也具有多種形式，一般來說前文所述的星形、樹形和總線形結(jié)構(gòu)都可以使用，但是考慮到FTTH等最終實(shí)現(xiàn)形式，采用點(diǎn)到多點(diǎn)的星形結(jié)構(gòu)是比較合適的。

PON的結(jié)構(gòu)中，OLT和多個(gè)ONU之間進(jìn)行通信采用的典型方法是下行數(shù)據(jù)信號(hào)使用1490nm波長(zhǎng)，上行數(shù)據(jù)信號(hào)采用1310nm波長(zhǎng)的單纖雙工模式，下行采用廣播方式或TDM，上行一般采用TDMA。如果PON的分路比較高，即一個(gè)OLT需要連接較多個(gè)ONU，且距離較長(zhǎng)，也可考慮在OLT側(cè)設(shè)置光放大器，以克服高分路比帶來的功率損失。ITU－T在G.983系列建議中規(guī)定，PON的分路比至少支持1∶16或更高（目前多為1∶32或1∶64），OLT與ONU之間的物理距離不得少于20km。7.4.2基于ATM的APON

APON是在PON上實(shí)現(xiàn)基于ATM信元傳輸?shù)慕尤爰夹g(shù)，最早由全業(yè)務(wù)接入網(wǎng)組織FSAN于20世紀(jì)90年代提出，并由ITU－T完成標(biāo)準(zhǔn)化的工作。APON系統(tǒng)為點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)的復(fù)用和多路接入方式提供了良好的基礎(chǔ)，這種傳輸結(jié)構(gòu)為多用戶共享整個(gè)帶寬提供了基礎(chǔ)。APON采用TDM方式，并通過信元頭的虛通道標(biāo)識(shí)符／虛通路標(biāo)識(shí)符（VPI/VCI）進(jìn)行二級(jí)尋址，根據(jù)不同業(yè)務(wù)的QoS（服務(wù)質(zhì)量）進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)接處理。一個(gè)典型的采用樹形分支拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的APON系統(tǒng)如圖7－12所示。G.983建議規(guī)定了APON的傳輸復(fù)用和多址接入方式采用以信元為基礎(chǔ)的TDM/TDMA方式。單纖雙工系統(tǒng)下行方向的工作波長(zhǎng)范圍應(yīng)為1480～1580nm，雙纖系統(tǒng)下行方向的工作波長(zhǎng)范圍應(yīng)為1260~1360nm，上行方向工作波長(zhǎng)為1260~1360nm，分路比小于1∶32。在下行方向，由ATM交換機(jī)來的ATM信元先送給OLT，OLT將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)的155.52Mb/s或622.08Mb/s的下行幀，并以廣播方式傳送給與OLT相連的各ONU，每個(gè)ONU可以根據(jù)信元的VCI/VPI選出屬于自己的信元送給終端用戶。在上行方向，來自各ONU的信元需要排隊(duì)等候?qū)儆谧约旱陌l(fā)送時(shí)隙來發(fā)送，由于這一過程是突發(fā)的，為了避免沖突，需要一定的媒體接入控制協(xié)議MAC來保證，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)由OLT為每個(gè)ONU分配上行帶寬（光發(fā)送機(jī)的占用時(shí)隙）。圖7－12

APON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖7－13

APON幀結(jié)構(gòu)

圖7－13中，155.52Mb/s和622.08Mb/s的下行幀由連續(xù)的時(shí)隙流組成，每個(gè)時(shí)隙包含53字節(jié)的ATM信元或PLOAM信元（物理層運(yùn)行和維護(hù)信元，用來承載物理層運(yùn)行和維護(hù)信息，還能攜帶ONU上行接入時(shí)所需的授權(quán)信號(hào)）。每隔27個(gè)時(shí)隙插入一個(gè)PLOAM信元。速率為155.52Mb/s的下行幀包含2個(gè)PLOAM，共有56個(gè)時(shí)隙；而622.08Mb/s的下行幀包含8個(gè)PLOAM，共有224個(gè)時(shí)隙。通常，每一個(gè)PLOAM有27個(gè)授權(quán)信號(hào)，每一幀僅需53個(gè)授權(quán)信號(hào)，所以，622.08Mb/s的下行幀中，后面6個(gè)PLOAM信元的授權(quán)信號(hào)區(qū)全部填充空閑授權(quán)信號(hào)，不被ONU使用。上行幀采用155.52Mb/s速率，共有53個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含56個(gè)字節(jié)，其中3個(gè)字節(jié)是開銷字節(jié)，包括：

(1)防護(hù)時(shí)間。在兩個(gè)連續(xù)信元之間提供間隙以防止碰撞，最小長(zhǎng)度為4bit。

(2)前置碼。用作相對(duì)于OLT的本地時(shí)鐘提取到達(dá)信元和微時(shí)隙的相位，或用作比特同步和幅度恢復(fù)。

(3)定界符。用作惟一的格式來指示ATM信元和微時(shí)隙的開始，也可作字節(jié)同步。

其中，防護(hù)時(shí)間長(zhǎng)度、前置碼和定界符格式由OLT編程決定，其內(nèi)容由下行方向PLOAM信元中的控制上行開銷信息決定。另外，OLT要求每個(gè)ONU傳輸ATM信元時(shí)需獲得下行PLOAM信元的授權(quán)。上行時(shí)隙可包含一個(gè)分割的時(shí)隙，由來自O(shè)NU的大量微時(shí)隙組成，MAC協(xié)議可用它們來傳送ONU的排隊(duì)狀態(tài)信息以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬分配。

FSAN在2001年后將APON改稱為寬帶無源光接入網(wǎng)BPON，并對(duì)其若干參數(shù)等進(jìn)行了修訂。但是就目前而言，APON和BPON的應(yīng)用前景并不樂觀，僅在一些核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)仍然采用ATM技術(shù)的國(guó)家和地區(qū)少量使用。由于ATM技術(shù)較為復(fù)雜，開銷較大，造成系統(tǒng)成本較高，限制了其大規(guī)模的使用。另一方面，本世紀(jì)以來Internet的快速發(fā)展，IP技術(shù)在核心網(wǎng)絡(luò)和城域網(wǎng)絡(luò)中都得到了廣泛的應(yīng)用，因此APON和BPON在接入環(huán)境中的使用和推廣也受到了很大的限制。7.4.3基于Ethernet的EPON

EPON是由國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)IEEE提出并標(biāo)準(zhǔn)化的。IEEE的第一英里以太網(wǎng)EFM工作組于2002年7月制定了EPON草案。

EPON中的ODN由無源分光器件和光纖線路構(gòu)成，EFM確定分路器的分光能力在1∶16到1∶128之間。從OLT到ONU的方向稱為下行方向，反之稱為上行方向。上行和下行線路的光信號(hào)占用C波段（1550nm窗口）的某兩個(gè)不同波長(zhǎng)，速率均為1Gb/s（千兆以太網(wǎng)采用的是8B10B編碼，因此實(shí)際線路速率是1.25Gb/s），傳輸距離可達(dá)20km。在下行鏈路上，OLT以廣播方式發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀。通過1∶N的無源分光器，數(shù)據(jù)幀到達(dá)各ONU，ONU通過檢查接收到數(shù)據(jù)幀的目的媒體接入控制（MAC）地址和幀類型（如廣播幀或OAM幀）來判斷是否接收此幀。

在上行鏈路上，各ONU的數(shù)據(jù)幀以突發(fā)方式通過共同的無源分配網(wǎng)傳輸?shù)絆LT，因此必須有一種多址接入方式保證每個(gè)激活的ONU能夠占用一定的上行信道帶寬。考慮到業(yè)務(wù)的不對(duì)稱性和ONU的低成本，EFM工作組決定在上行鏈路上采用TDMA方式。需要指出的是，與APON上行的TDMA不同，EPON中由于ONU上行的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不固定，因此是變長(zhǎng)度的TDMA。

EPON的上、下行信號(hào)分別如圖7－14和圖7－15所示。

EFM工作組的目的是以盡量小的協(xié)議改動(dòng)將以太網(wǎng)引入接入網(wǎng)范疇，目前暫定的協(xié)議分層與千兆以太網(wǎng)的協(xié)議分層相比，物理層定義幾乎相同（主要改動(dòng)是增加了功率控制功能），主要的區(qū)別是在數(shù)據(jù)鏈路層增加了兩個(gè)子層：多點(diǎn)接入子層和以太網(wǎng)仿真／安全子層。多點(diǎn)接入子層用于支持上行和下行鏈路的多點(diǎn)接入；仿真子層的作用是將一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信等效為傳統(tǒng)以太網(wǎng)的對(duì)等實(shí)體的通信（P2P）；安全子層主要用于下行鏈路的MAC幀加密。從EPON的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上下行方案不難看出：EPON的主要思想是將較為復(fù)雜的功能集中于OLT，ONU應(yīng)盡量簡(jiǎn)單和廉價(jià)。在EPON中，一方面由于傳統(tǒng)的點(diǎn)到點(diǎn)的光纖線路已轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)到多點(diǎn)的光傳輸結(jié)構(gòu)（類似于衛(wèi)星信道），在上行的TDMA方式中必須考慮時(shí)延、快速同步和功率控制等問題；另一方面由于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)MAC層的載波偵聽多址接入／碰撞檢測(cè)機(jī)制（CSMA／CD協(xié)議）在EPON中無法實(shí)現(xiàn)，因此必須在802.3協(xié)議棧中增加支持EPON的多點(diǎn)控制（MPCP）協(xié)議、運(yùn)營(yíng)管理和維護(hù)OAM以及服務(wù)質(zhì)量保證QoS機(jī)制。圖7－14

EPON上行信號(hào)示意圖7－15

EPON下行信號(hào)示意1. EPON的上行接入技術(shù)

EPON上行接入技術(shù)的候選方案包括TDMA、WDMA和CDMA等。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，WDMA是發(fā)展的趨勢(shì)，但現(xiàn)階段WDMA主要的問題是成本比較高，特別是ONU和OLT中的有源光器件。TDMA是現(xiàn)階段的主要技術(shù)，但如前文所述，EPON中的TDMA需要針對(duì)ONU變長(zhǎng)度的上行帶寬需求進(jìn)行MAC控制。因此，為了保證上行帶寬的動(dòng)態(tài)分配能力，EPON還提出了輪詢機(jī)制等對(duì)時(shí)分多址接入進(jìn)行補(bǔ)充。

EPON采用的TDMA基本思路如下：所有的ONU都與一個(gè)公共的參考時(shí)鐘同步，而且每個(gè)ONU都分配一個(gè)時(shí)隙。每一個(gè)時(shí)隙可以承載幾個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。ONU需要把用戶側(cè)收到的以太網(wǎng)幀進(jìn)行緩存，直到屬于自己的發(fā)送時(shí)隙到來。當(dāng)時(shí)隙到來時(shí)，ONU把緩存的數(shù)據(jù)幀以全線路速率（按照標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)速率1000Mb/s）“突發(fā)”發(fā)送。如果緩存區(qū)沒有足夠的數(shù)據(jù)幀填滿整個(gè)時(shí)隙，就按照全雙工以太網(wǎng)MAC的規(guī)范傳送10個(gè)比特的空閑碼組。需要指出的是，EPON系統(tǒng)的性能主要取決于上述的時(shí)隙分配方案，也即帶寬分配方案。帶寬分配方案可以分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)的帶寬分配方案是固定為每個(gè)ONU分配時(shí)隙，這種方案實(shí)現(xiàn)較為容易，也可以很好地解決沖突問題，但缺點(diǎn)是上行帶寬的利用率不高。動(dòng)態(tài)的帶寬分配方案是根據(jù)每個(gè)ONU即時(shí)的隊(duì)列負(fù)載大小來調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)短（實(shí)際上是統(tǒng)計(jì)復(fù)用），此方案對(duì)上行帶寬的利用率較高，但要選擇一個(gè)性能最佳的分配方案是比較復(fù)雜的，特別是用戶側(cè)的負(fù)荷存在較大變化時(shí)更為困難。

EPON帶寬分配主要依賴MPCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。MPCP是EPON中MAC控制的協(xié)議，其運(yùn)行模式包括兩個(gè)。（1）帶寬分配模式：用于維持OLT和ONU之間的通信，MPCP定期地為每個(gè)ONU提供授權(quán)，EPON的MPCP協(xié)議中定義了授權(quán)（GATE）和報(bào)告（REPORT）兩個(gè)消息用于MAC控制。

（2）自動(dòng)發(fā)現(xiàn)模式：用于發(fā)現(xiàn)新激活（如新安裝和第一次加電）的ONU，MPCP需要定期發(fā)起發(fā)現(xiàn)過程，MPCP協(xié)議中定義了注冊(cè)（REGISTER）、注冊(cè)請(qǐng)求（REGISTER_REQ）和注冊(cè)確認(rèn)（REGISTER_ACK）等消息用于自動(dòng)發(fā)現(xiàn)。

2.EPON安全機(jī)制

1）EPON中的認(rèn)證機(jī)制

EPON網(wǎng)絡(luò)支持一種簡(jiǎn)單的密碼認(rèn)證機(jī)制。在該機(jī)制下，OLT將對(duì)所有與其相連的ONU進(jìn)行身份確認(rèn)。在OLT端，一般都會(huì)建立一個(gè)由各ONU相關(guān)信息構(gòu)成的用以確認(rèn)身份的數(shù)據(jù)庫(kù)。如果在OLT端還沒有建立這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)，那么它將把第一次從ONU發(fā)出來的確認(rèn)信息作為確認(rèn)ONU身份的初始值。顯而易見，這種方案的密碼確認(rèn)機(jī)制是存在安全隱患的。因此，EPON中關(guān)于ONU的認(rèn)證仍然是現(xiàn)在研究的重點(diǎn)。

2）EPON中的加密機(jī)制

EPON的下行信道是廣播式的，而且可為不同的用戶提供服務(wù)。因?yàn)槊總€(gè)ONU都可以接收到所有的下行信息，因此加密機(jī)制是必須的。對(duì)于一般的普通用戶，即對(duì)信息的加密與否無所謂的用戶，安全性問題并不突出，但EPON的發(fā)展目標(biāo)是全業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，對(duì)于那些通過接入網(wǎng)與廣域網(wǎng)相連，并通過接入網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)與異地用戶進(jìn)行通信的用戶，若還只是用擾碼加密這樣的保密措施來對(duì)通信進(jìn)行簡(jiǎn)易加密將是非常不可靠的。EPON已經(jīng)提出了包括塊加密、上行和下行加密以及密鑰更換等加密相關(guān)機(jī)制。

3.EPON業(yè)務(wù)等級(jí)區(qū)分

由于EPON的主要服務(wù)對(duì)象是家庭用戶和小企業(yè)，業(yè)務(wù)種類多，需求差別大，計(jì)費(fèi)方式多樣，而利用上層協(xié)議并不能解決EPON中數(shù)據(jù)鏈路層的業(yè)務(wù)區(qū)分和時(shí)延控制。因此，支持業(yè)務(wù)等級(jí)區(qū)分是EPON必備的功能。目前的方案是：在EPON的下行信道上，OLT建立8種業(yè)務(wù)隊(duì)列，不同的隊(duì)列采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式；在上行信道上，ONU建立8種業(yè)務(wù)端口隊(duì)列，既要區(qū)分業(yè)務(wù)又要區(qū)分不同用戶的服務(wù)等級(jí)。此外，因?yàn)镺NU要對(duì)MAC幀進(jìn)行組合，以便填充滿時(shí)隙突發(fā)并提高上行信道的利用率，所以可進(jìn)一步引入幀組合的優(yōu)先機(jī)制用于區(qū)分服務(wù)。但在ONU端，如何既能區(qū)分業(yè)務(wù)類型又能區(qū)分用戶等級(jí)是EFM目前研究的一個(gè)主要問題。EFM已經(jīng)初步提出將用戶的業(yè)務(wù)分為P0～P2共三個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)于不同的業(yè)務(wù)類型。在分配帶寬和安排上行時(shí)隙等時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排隊(duì)。也有一種方法是在ONU內(nèi)部首先進(jìn)行QoS調(diào)度，稱為Intra-ONU調(diào)度算法，而在ONU之間再使用稱為Inter-ONU的調(diào)度算法。

影響傳統(tǒng)業(yè)務(wù)（話音和圖像）在EPON中傳輸?shù)男阅苤笜?biāo)主要是時(shí)延和丟幀率。EPON所要考慮的重點(diǎn)是保證面向連接業(yè)務(wù)的低時(shí)延。低時(shí)延由EPON的動(dòng)態(tài)帶寬分配DBA算法和時(shí)隙劃分的“低顆粒度”保障，而對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)端到端的QoS支持則可以由虛擬局域網(wǎng)（VLAN）和多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）等來實(shí)現(xiàn)。在EPON基礎(chǔ)之上，IEEE于2004年提出了IEEE802.3ah，即千兆比特以太網(wǎng)的無源光接入網(wǎng)GEPON標(biāo)準(zhǔn)。由于其能夠高度兼容用戶側(cè)大量的以太網(wǎng)設(shè)備，具有平滑過渡的特點(diǎn)，因此得到了許多廠家的支持，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有較多的EPON和GEPON實(shí)驗(yàn)小區(qū)的成功案例。但是EPON和GEPON仍然存在標(biāo)準(zhǔn)化程度低以及對(duì)于TDM業(yè)務(wù)支持較差等缺點(diǎn)，IEEE正在對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步的完善，預(yù)計(jì)于2009年下半年推出IOGEPON標(biāo)準(zhǔn)。7.4.4千兆比特兼容的GPON

鑒于APON/BPON和EPON的各自優(yōu)劣，許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織都投入了大量精力試圖提出一種兼具雙方優(yōu)點(diǎn)的方案。FSAN在APON/BPON的基礎(chǔ)上，提出了千兆比特兼容的無源光接入網(wǎng)GPON，并已由ITU－T在建議G.984系列中進(jìn)行了規(guī)范。GPON的主要設(shè)想是在PON上傳送多業(yè)務(wù)時(shí)保證高比特率和高效率。GPON一開始就自下而上重新考慮了PON的應(yīng)用和要求，為新的方案奠定了基礎(chǔ)，不再基于早先的APON標(biāo)準(zhǔn)。它一方面保留了與PON不直接相關(guān)的許多功能，如OAM消息、DBA等；另一方面GPON則基于完全新的傳輸會(huì)聚（TC）層。GPON采用的是一個(gè)以幀為基礎(chǔ)的協(xié)議，使用通用成幀規(guī)程（GFP）作業(yè)務(wù)映射。

GPON的總體目標(biāo)包括：

（1）幀結(jié)構(gòu)可以從622Mb/s擴(kuò)展到2.5Gb/s，并支持上下行不對(duì)稱的比特率；

（2）對(duì)任何業(yè)務(wù)都保證高帶寬利用率和高效率；

（3）把任何業(yè)務(wù)（TDM和分組）都通過GFP裝入125μs的幀中；

（4）對(duì)純TDM業(yè)務(wù)作高效率的無開銷傳送；

（5）通過帶寬指示器為每一ONU動(dòng)態(tài)分配上行帶寬。

GPON的一個(gè)主要特色是引入了通用成幀規(guī)程GFP，GFP可以在不同的傳送網(wǎng)絡(luò)上靈活適配各自業(yè)務(wù)，其中傳送網(wǎng)可以是任何類型，如SONET/SDH和G.709（OTN）等。客戶信令可以是基于分組的（如IP/PPP或EthernetMAC等），也可以是恒定比特率流或其它類型信令。GFP已正式由ITU－T建議G.7041進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，因GFP提供以高效簡(jiǎn)單的方式在同步傳送網(wǎng)上傳送不同業(yè)務(wù)的通用機(jī)制，故將其用作GPONTC層的基礎(chǔ)是十分理想的。此外，使用GFP時(shí)，GPONTC層本質(zhì)上是同步的，并使用標(biāo)準(zhǔn)的SDH（125μs）幀，這使GPON能夠直接支持TDM業(yè)務(wù)。

GPON協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮以下問題：

（1）基于幀的多業(yè)務(wù)（ATM、TDM、數(shù)據(jù)）傳送；

（2）上行帶寬分配機(jī)制采用時(shí)隙指配（通過指示器）；

（3）支持不對(duì)稱線路速率；

（4）線路碼是不歸零（NRZ）碼，在物理層有帶外控制信道，用于使用G.983PLOAM的OAM功能；

（5）為了提高帶寬效率，數(shù)據(jù)幀可以分拆和串接；

（6）縮短上行突發(fā)方式報(bào)頭（包括時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)）；

（7）DBA報(bào)告、安全性和存活率開銷都綜合于物理層；

（8）幀頭保護(hù)采用循環(huán)冗余碼，比特交織奇偶校驗(yàn)；

（9）在物理層支持QoS。

ITU－T在對(duì)GPON總體要求的建議G.984.1中對(duì)GPON的傳輸速率進(jìn)行了定義，總共定義了7種類型：

（1）155.52Mb/s上行，1.24416Gb/s下行；

（2）622.08Mb/s上行，1.24416Gb/s下行；

（3）1.24416Gb/s上行，1.24416Gb/s下行；

（4）155.52Mb/s上行，2.48832Gb/s下行；

（5）622.08Mb/s上行，2.48832Gb/s下行；

（6）1.24416Gb/s上行，2.48832Gb/s下行；

（7）2.48832Gb/s上行，2.48832Gb/s下行。從上述速率等級(jí)可以看出，GPON支持各種對(duì)稱速率和不對(duì)稱速率等級(jí)，這些速率等級(jí)既考慮了當(dāng)前的業(yè)務(wù)需求，也兼顧了將來的帶寬需要（如速率等級(jí)7）。G.984.2對(duì)這些速率等級(jí)的PON光接口參數(shù)進(jìn)行了定義，但由于目前市場(chǎng)上還沒有商用的可進(jìn)行突發(fā)發(fā)送和接收的光器件，因而一些2.48832Gb/s速率的光接口參數(shù)還處于待定狀態(tài)。

1.GPON基本結(jié)構(gòu)

圖7－16給出了GPON總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖7－16

GPON總體結(jié)構(gòu)GPON由光線路終端OLT、光網(wǎng)絡(luò)單元/光網(wǎng)絡(luò)終端（ONU/ONT）及光纖分配網(wǎng)ODN組成。OLT位于中心機(jī)房，向上提供廣域網(wǎng)接口，包括GE、ATM、DS－3等；ONU/ONT放在用戶側(cè)，為用戶提供10/100BaseT、T1/E1、DS－3等應(yīng)用接口，適配功能AF在具體實(shí)現(xiàn)中可能集成于ONU/ONT中；ODN由分支器/耦合器等無源器件構(gòu)成。上下行數(shù)據(jù)工作于不同波長(zhǎng)，下行數(shù)據(jù)采用廣播方式發(fā)送，上行數(shù)據(jù)采用基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的時(shí)分多址方式接入。圖7－16中，波分復(fù)用器WDM和網(wǎng)絡(luò)單元NE為可選項(xiàng)，用于在OLT和ONU之間采用另外的工作波長(zhǎng)傳輸其他業(yè)務(wù)，如視頻信號(hào)。

GPON協(xié)議模型由控制/管理平面（C/M平面）和用戶平面（U平面）組成，C/M平面管理用戶數(shù)據(jù)流，完成安全加密等OAM功能，U平面完成用戶數(shù)據(jù)流的傳輸。U平面進(jìn)一步又可以分為物理媒質(zhì)相關(guān)子層PMD、GPON傳輸匯聚子層GTC和高層，GTC子層又進(jìn)一步細(xì)分為GTC適配子層和GTC成幀子層，高層的用戶數(shù)據(jù)和控制/管理信息通過GTC適配子層進(jìn)行封裝，圖7－17給出了GPON協(xié)議模型。圖7－17

GPON協(xié)議模型2.通用成幀規(guī)程GFP及GPON傳輸匯聚子層GTC

1）通用成幀規(guī)程GFP

GFP在SDH和OTN網(wǎng)絡(luò)中的使用分別在ITU－TG.707/Y.1322和G.709/Y.1321中作了規(guī)定。用戶層信號(hào)可以是基于分組（例如IP/PPP，Ethernet）、恒定比特率（CBR）或其他任何類型。GFP可以靈活地將不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射進(jìn)字節(jié)同步的傳送網(wǎng)中，這是GPON中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為克服ATM承載IP業(yè)務(wù)開銷大的缺點(diǎn)，GPON采用新的傳輸協(xié)議——GPON封裝方法GEM（GPONEncapsulationMethod）。該協(xié)議能完成對(duì)高層多樣性業(yè)務(wù)的適配，包括ATM業(yè)務(wù)、TDM業(yè)務(wù)及IP/Ethernet業(yè)務(wù)，對(duì)多樣性業(yè)務(wù)的適配是高效透明的，同時(shí)該協(xié)議支持多路復(fù)用、動(dòng)態(tài)帶寬分配等OAM機(jī)制。圖7－18給出了GEM的幀結(jié)構(gòu)。GEM是GPON傳輸匯聚層專有的適配協(xié)議，GEM的功能在GPON內(nèi)部終結(jié)，即僅在GPON內(nèi)部實(shí)現(xiàn)各種用戶業(yè)務(wù)的適配封裝。圖7－18

GEM幀結(jié)構(gòu)

圖7－18中，PLI為凈負(fù)荷長(zhǎng)度指示，16bit；端口號(hào)PortID為12bit，用于支持多端口復(fù)用，相當(dāng)于APON技術(shù)中的VPI；Frag（Fragment）為2bit，用作分段指示，第一個(gè)分段的Frag值為10，中間分段的Frag值為00，最后一個(gè)分段的Frag值為01,若承載的是整幀，F(xiàn)rag的值為11，F(xiàn)rag的引入解決了由于剩余帶寬不足以承載當(dāng)前以太網(wǎng)幀時(shí)帶來的帶寬浪費(fèi)問題，提高了系統(tǒng)的有效帶寬；FFS為2bit，目前尚未定義；HEC為頭校驗(yàn)，占據(jù)16bit，采用自描述方式確定幀的邊界，用于幀的同步與幀頭保護(hù)。

GPON引入了PortID的概念，即從ONU的一個(gè)業(yè)務(wù)端口與OLT的一個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的連接，有對(duì)應(yīng)的PortID標(biāo)識(shí)。對(duì)于多樣性業(yè)務(wù)高效透明的適配正是通過采用全新的傳輸匯聚層協(xié)議GEM封裝來實(shí)現(xiàn)的。源于GFP的GEM不僅繼承了GFP高效適配的優(yōu)點(diǎn)，而且經(jīng)過改造之后更加準(zhǔn)確定位接入領(lǐng)域。

2）GPON傳輸匯聚子層（GTC）

G.984.3為GPON定義了一個(gè)全新的傳輸匯聚子層GTC，該子層可以作為通用的傳輸平臺(tái)來承載各種客戶信號(hào)（ATM、GEM）。GTC層的協(xié)議棧如圖7－19所示。圖7－19

GPONGTC層協(xié)議棧

可以看出，GTC層主要由GTC成幀子層（GTCFramingsublayer）和GTC適配子層構(gòu)成。GTC成幀子層應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能包括：①?gòu)?fù)用和解復(fù)用功能，實(shí)現(xiàn)PLOAM、ATM和GEM流與TC傳輸幀的復(fù)用/解復(fù)用；②TC傳輸幀幀頭的產(chǎn)生/解碼；③基于AllocID的內(nèi)部交換功能。GTC適配子層提供3種適配：ATM適配、GEM適配和OMCI適配。從另一個(gè)角度講，GTC主要由控制/管理（C/M）平面以及數(shù)據(jù)（D）平面組成。C/M平面完成用戶流量管理、安全及OAM功能，而D平面用于傳送用戶數(shù)據(jù)。GTC可支持兩種傳送模式：一種是ATM；另一種是GEM。因此GTC將更加靈活通用。圖7－20

GTCC/M平面協(xié)議棧

3）C/M平面協(xié)議棧

GTC控制/管理平面的協(xié)議棧如圖7－20所示。GTC的C/M平面由3部分組成，嵌入式OAM、PLOAM和OMCI，其中嵌入式OAM和PLOAM主要用于對(duì)GPON的物理層和GTC層進(jìn)行管理，而OMCI提供了一種管理更高層的通用方式。

4）D平面協(xié)議棧

GTC數(shù)據(jù)平面協(xié)議棧如圖7－21所示。GTC數(shù)據(jù)平面的業(yè)務(wù)流通過其數(shù)據(jù)類型（ATM或GEM）以及其端口PortID（GEM，共12比特）或VPI（ATM）來標(biāo)識(shí)。GPONGTC中還引入了G.983.4中規(guī)定的T－CONT概念。T－CONT是業(yè)務(wù)流量的集合體，通過AllocID標(biāo)識(shí)，一種T－CONT只能承載一種數(shù)據(jù)類型。圖7－21

GTC數(shù)據(jù)平面協(xié)議棧

5）GTC實(shí)現(xiàn)的功能

GPONGTC層要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)重要的功能。

（1）媒體接入控制功能。GTC在上行方向提供業(yè)務(wù)流的媒體接入控制功能，GTC是通過下行GTC數(shù)據(jù)幀的控制字節(jié)來完成對(duì)上行方向每個(gè)ONU發(fā)送的T－CONT進(jìn)行控制的，如圖7－22所示。GPON下行數(shù)據(jù)幀的幀頭中包括下行物理層控制塊（PCBd，PhysicalControlBlockdownstream），其中包含了上行帶寬映射（USBWMap，UpStreamBandWidthMap）字段，用于對(duì)ONU發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行授權(quán)。該字段指示哪個(gè)AllocID（一個(gè)ONU可以對(duì)應(yīng)一個(gè)AllocID或多個(gè)ID）何時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，何時(shí)停止發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣，在正常情況下，上行方向的任意時(shí)刻都只有一個(gè)ONU在發(fā)送數(shù)據(jù)。USBWMap字段指針指示的數(shù)值是以字節(jié)為單位的，GPON系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以64kb/s為步長(zhǎng)的上行帶寬分配。圖7－22上行接入控制示例（2）ONU注冊(cè)。

ONU的注冊(cè)通過自動(dòng)發(fā)現(xiàn)進(jìn)程來完成。ONU的注冊(cè)有兩種方式：第一種方式是通過管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將ONU的序列號(hào)寫入OLT中，如果OLT檢測(cè)到需加入的ONU序列號(hào)與事先設(shè)置的序列號(hào)不一致，則判斷該ONU為無效ONU；第二種方式是管理系統(tǒng)事先不將ONU的序列號(hào)寫入OLT中，OLT通過自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制檢測(cè)ONU的序列號(hào)，一旦一個(gè)新ONU被發(fā)現(xiàn)，OLT將分配給該OLT一個(gè)ONUID，同時(shí)激活該ONU。

3.GPON的上、下行幀結(jié)構(gòu)

1）下行幀格式

圖7－23給出了GPON下行幀結(jié)構(gòu)。

圖7－23中，PCBd提供幀同步、定時(shí)及動(dòng)態(tài)帶寬分配等OAM功能；載荷部分透明承載ATM信元及GEM幀。ONU依據(jù)PCBd獲取同步等信息，并依據(jù)ATM信元頭的VPI/VCI過濾ATM信元，依據(jù)GEM幀頭的PortID過濾GEM幀。圖7－24給出了PCBd模塊的組成。圖7－23

GPON下行幀結(jié)構(gòu)圖7－24

PCBd模塊的組成圖7－24中，Psync（Physicalsynchronization，物理層同步）用作ONU與OLT同步；Ident用作超幀指示，值為0時(shí)指示一個(gè)超幀的開始；PLOAMd（PLOAMdownstream）用于承載下行PLOAM信息；BIP是比特間插奇偶校驗(yàn)8比特碼，用作誤碼監(jiān)測(cè)；PLend（PayloadLengthdownstream）用于說明USBWMap域的長(zhǎng)度及載荷中ATM信元的數(shù)目，為了增強(qiáng)容錯(cuò)性，PLend出現(xiàn)兩次；USBWMap域用于上行帶寬分配，帶寬分配的控制對(duì)象是T－CONT（TransmissionContainer），一個(gè)ONU可分配多個(gè)T－CONT，每個(gè)T－CONT可包含多個(gè)具有相同QoS要求的VPI/VCI或PortID，這是APON動(dòng)態(tài)帶寬分配技術(shù)中引入的概念，提高了動(dòng)態(tài)帶寬分配的效率。

2）上行幀結(jié)構(gòu)

上行幀長(zhǎng)125μs，幀格式的組織由下行幀中USBWMap域確定，圖7－25給出了GPON的上行幀結(jié)構(gòu)。圖7－25

GPON上行幀結(jié)構(gòu)

PLOu（PhysicalLayerOverheadupstream，上行物理層開銷）突發(fā)同步，包含前導(dǎo)碼、定界符、BIP、PLOAMu指示及FEC指示，其長(zhǎng)度由OLT在初始化ONU時(shí)設(shè)置，ONU在占據(jù)上行信道后首先發(fā)送PLOu單元，以使OLT能夠快速同步并正確接收ONU的數(shù)據(jù)；PLSu為功率測(cè)量序列，長(zhǎng)度120Byte，用于調(diào)整光功率；PLOAMu（PLOAMupstream）用于承載上行PLOAM信息，包含ONUID、MessageID、Message及CRC，長(zhǎng)度13Byte；DBRu包含DBA（動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)整）域及CRC域，用于申請(qǐng)上行帶寬，共2Byte；Payload域填充ATM信元或者GEM幀。

4.GPON動(dòng)態(tài)帶寬分配DBA

動(dòng)態(tài)帶寬分配（DBA）功能是GPON應(yīng)實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)重要功能，通過DBA，GPON能實(shí)現(xiàn)PON傳輸帶寬在各ONU之間的動(dòng)態(tài)共享，從而提高帶寬的利用率。GTC系統(tǒng)根據(jù)T－CONT管理業(yè)務(wù)流，每個(gè)T－CONT由AllocID標(biāo)識(shí)。一個(gè)T－CONT可包含一個(gè)或多個(gè)GEMPortID。OLT監(jiān)控每個(gè)T－CONT的流量負(fù)載，并調(diào)整帶寬分配來更好地分配PON帶寬資源。PON帶寬資源的分配分為動(dòng)態(tài)或靜態(tài)兩種方式，在動(dòng)態(tài)資源分配方式中，OLT通過檢查來自O(shè)NU的DBA報(bào)告和/或輸入業(yè)務(wù)流的自監(jiān)測(cè)來了解擁塞情況，然后分配足夠的資源；在靜態(tài)資源分配方式中，OLT根據(jù)配置信息為業(yè)務(wù)流預(yù)留固定帶寬。DBA功能可提供各種不同的QoS。GPONTC層規(guī)定了5種T－CONT（Type1、2、3、4、5），DBA功能在各T－CONT中實(shí)現(xiàn)。GEM模式中，GEM連接由GEM－Port標(biāo)識(shí)，并根據(jù)QoS要求由一種T－CONT類型承載。

GPON系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)帶寬分配機(jī)制和QoS沿用了APON的思路，將業(yè)務(wù)分為五種類型，不同的業(yè)務(wù)設(shè)置不同的參數(shù)，根據(jù)參數(shù)檢測(cè)擁塞狀態(tài)，分配帶寬，對(duì)ONU進(jìn)行授權(quán)。分組網(wǎng)絡(luò)中，由于各種業(yè)務(wù)質(zhì)量不盡相同，有的業(yè)務(wù)類型對(duì)時(shí)延很敏感（如話音），有的則只對(duì)信元丟失率敏感（如FTP，e－mail），若將不同類型的業(yè)務(wù)不加區(qū)別的對(duì)待，將會(huì)導(dǎo)致QoS的惡化，甚至造成信元的丟失。盡管可以按峰值速率為ONU靜態(tài)分配帶寬（SBA），但這樣整個(gè)系統(tǒng)帶寬會(huì)很快被耗盡，帶寬的利用率很低。因而需要?jiǎng)討B(tài)分配帶寬，合理調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)的帶寬利用率，滿足各種業(yè)務(wù)的QoS，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，并在網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的QoS。

GPON系統(tǒng)可以采用SBA和DBA相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)帶寬的有效利用，對(duì)于TDM業(yè)務(wù)，可以通過SBA指配帶寬以保證高QoS，而對(duì)于其他一些業(yè)務(wù)可以通過DBA來動(dòng)態(tài)分配帶寬。

在GPON系統(tǒng)中，對(duì)分組業(yè)務(wù)劃分為四類業(yè)務(wù)等級(jí)，但業(yè)務(wù)參數(shù)用數(shù)據(jù)和時(shí)間描述，而不是速率，這是為了更好適應(yīng)新的變長(zhǎng)度分組環(huán)境。

第一類業(yè)務(wù)等級(jí)：允許定長(zhǎng)度負(fù)荷周期性傳送，對(duì)時(shí)延敏感，主要服務(wù)對(duì)象是對(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)有嚴(yán)格要求的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，如話音等。第二類業(yè)務(wù)等級(jí)：對(duì)時(shí)延不敏感，其信息傳輸是基于請(qǐng)求的，意味著某個(gè)信元流不活動(dòng)時(shí)可以將資源分配給其他信元流以提高利用率。信元流的狀態(tài)通過上行幀的特定字節(jié)發(fā)送到MAC控制器，典型服務(wù)如文件傳輸?shù)让嫦蜻B接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

第三類業(yè)務(wù)等級(jí)：只保證最小的業(yè)務(wù)速率，但可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況自適應(yīng)調(diào)整，從而能充分利用網(wǎng)絡(luò)可用資源，適用于低QoS業(yè)務(wù)，典型業(yè)務(wù)為TCP/IP業(yè)務(wù)。

第四類業(yè)務(wù)等級(jí)：沒有任何帶寬保證，在帶寬需求的高峰期還將被限制發(fā)送，即所謂的盡力而為業(yè)務(wù)，典型的服務(wù)如電子郵件、LAN互連等業(yè)務(wù)。

5.GPON對(duì)TDM業(yè)務(wù)的承載

GPON可通過兩種方式承載TDM業(yè)務(wù)（如E1），一種是Native方式也被稱為TDMoverGEM方式，另外一種是CESoPoverGEM。

Native方式是利用可變的GEM幀來直接封裝TDM幀。具有相同PortID的TDM數(shù)據(jù)分組會(huì)匯聚到TC上層。凈荷部分包含LByte的TDM塊。

TDM業(yè)務(wù)到GEM幀的映射允許GEM幀長(zhǎng)根據(jù)TDM業(yè)務(wù)的頻率偏移進(jìn)行變化。TDM段的長(zhǎng)度由PLI域指示。TDM源適配進(jìn)程應(yīng)該在輸入緩存中對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行排隊(duì)，每當(dāng)有幀到達(dá)（即每125μs）時(shí)，GEM幀復(fù)用實(shí)體將記錄當(dāng)前GEM和幀中準(zhǔn)備發(fā)送的字節(jié)數(shù)量。一般情況下，PLI將根據(jù)TDM的標(biāo)稱速率指示一個(gè)固定字節(jié)數(shù)，但經(jīng)常需要多傳送或少傳送一些字節(jié)，這一點(diǎn)將在PLI域中反映出來。如果輸出頻率比輸入信號(hào)頻率快，則輸入緩存器開始清空，填充最終降到低門限以下。這時(shí)，從輸入緩存器少